《Total Environment Engineering》：Development of an agnostic reservoir model to explore wildfire impact on water quality
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为解决野火频发背景下水库水质恶化、有害藻华（HABs）加剧的科学与管理难题，美国陆军工程师研发中心的Summers等人开发了一个无偏的CE-QUAL-W2水库模型。该研究通过模拟不同月份（5-9月）的野火情景，系统分析了温度、总悬浮固体（TSS）、营养盐（PO43-、NO3-、NH4+）、溶解氧（DO）等关键参数的变化对藻类生长的影响。研究发现，生长季前的野火（如5月）由于磷酸盐的提前积累，会诱发初始藻华生物量激增3倍（达166 μg/L Chl-a），并导致夏季持续数月的水体严重缺氧；而生长季后（如9月）的野火虽不立即引发藻华，但会造成营养盐残留，显著加剧来年春季的藻华暴发。磷酸盐输入被确定为驱动藻华加剧的最关键因子。此项研究为野火后水库水质预警与适应性管理策略的制定提供了重要的模型工具和科学依据。
在全球气候变化和人类活动的双重驱动下，野火的规模、频率和持续时间达到了前所未有的水平，对自然生态系统和人类社会构成了严峻挑战。除了直接造成巨大的经济和生命财产损失，野火对水环境的深远影响，特别是对作为重要水源地和生态系统组成部分的水库的潜在威胁，日益成为科学家和水资源管理者关注的焦点。然而，由于野火后现场监测条件恶劣、数据获取困难，目前关于野火对水体影响的研究多集中于河流溪流，而对湖泊、水库等静水水体的认知存在显著空白。这种知识缺口限制了我们对野火后水生态系统响应机制的理解，也阻碍了有效的水质管理策略的制定。为了突破这一瓶颈，建模成为一种强大的工具，能够利用对溪流行为的已有认知，推演和预测数据相对匮乏的水库的可能变化。
在此背景下，美国陆军工程师研发中心（US Army Engineer Research and Development Center）的Emily J. Summers、Jodi L. Ryder和Travis A. Dahl在《Total Environment Engineering》上发表研究，开发了一个“无偏”（Agnostic）的CE-QUAL-W2水库水质模型，旨在系统性探索野火对典型水库水质，特别是有害藻华动态的影响。与针对特定地点构建的复杂模型不同，无偏模型通过简化的数学表达和理想化的系统结构，剥离了复杂地形等外部因素的干扰，使用户能够聚焦于关键变量变化对系统行为的影响，并显著缩短模型运行时间，为快速评估多种情景提供了可能。
研究人员首先构建了一个能代表美国陆军工程师兵团（USACE）典型水库特征的无偏模型。该模型基于对100个USACE水库的调研，设定为一个长度10公里、具有梯形断面（上游表层宽100米、深3米，下游表层宽1000米、深30米）的理想化水体。模型输入数据综合了美国太平洋西北地区10个气象站10年（2015-2024）的日均气象数据平均值，以及源自底特律湖支流Blowout Creek的经过调整的流量和水质数据，以确保其水文和水质特征能反映该区域的典型情况。模型设置了两种藻类群组：蓝藻（Cyanobacteria，生长快、喜温、固氮、对磷半饱和常数低）和硅藻（Diatoms，生长慢、喜凉、需氮磷、易沉降），以模拟常见的藻类竞争。
研究核心是模拟不同发生时间（5月1日、6月1日、7月1日、8月1日、9月1日）的野火情景。这些情景基于文献综述，设定了为期一周的野火期间及之后相关水质参数的变化幅度，例如：水温瞬时升高5°C后持续偏高0.55°C；总悬浮固体（TSS）瞬时升高至年均值的25倍后持续为5倍；磷酸盐（PO43-）瞬时为10倍年均值后持续5倍；硝酸盐/亚硝酸盐（NO3-/NO2-）和铵盐（NH4+）瞬时为10倍年均值后恢复常态；溶解氧（DO）瞬时降低15%后恢复；颗粒有机质（POM）瞬时为4倍年均值；太阳短波辐射（SRO）瞬时减少40%后增加10%。
为了开展研究，作者主要应用了几个关键技术方法：1) 基于CE-QUAL-W2框架构建理想化水库水动力与水质模型，模拟水温分层、水流运动及营养盐、藻类等物质的输移转化过程；2) 利用美国西北部地区长期观测数据合成代表性的气象与水文边界条件，构建基准情景；3) 通过文献调研量化野火对流域水文水质参数的影响幅度，设定不同月份的野火扰动情景；4) 进行情景模拟与敏感性分析，比较野火发生时机、单一环境因子变化以及流量改变对水库藻类动态和水质的独立与综合效应。
3.1 野火发生时间对水质的敏感性
研究结果显示，野火发生的时间点对水库水质，尤其是有害藻华的发展具有决定性影响。野火发生得越早（在藻类生长季之前），对水质的负面影响越严重。
5月和6月发生的野火，导致初始藻华（通常在6月中下旬出现）的叶绿素a峰值浓度分别达到166 μg/L和111 μg/L，是基准情景（52 μg/L）的三倍和两倍以上。并且，这些早期野火还使藻华高峰期推迟约一周，这被归因于野火初期输入的高浓度总溶解固体（TDS）导致的光限制。此外，早期野火还导致藻华过后水体持续数月的严重缺氧状态，并对鱼类生存构成威胁。7月发生的野火虽未显著提高初始藻华峰值，但使得藻华过后蓝藻的持续生长更为稳定，避免了藻华后的急剧消亡，导致叶绿素a浓度在整个夏秋季均维持在较高水平。而8月和9月等生长季后发生的野火，对当年藻华动态的影响相对较小，但导致了营养盐（特别是磷酸盐）在水库中的积累。
3.2 五月野火与基准条件的深入对比
以影响最大的5月野火为例进行深入分析发现，生长季前野火使得大量的营养物质，尤其是磷，得以在藻华爆发前就在水库系统中积累。至6月，野火情景下水体中的磷酸盐浓度（0.08 mg/L）是基准情景（0.02 mg/L）的4倍。这种营养盐的激增为藻类，特别是蓝藻的暴发式生长提供了充足“燃料”。野火初期伴随的高TSS暂时抑制了藻类生长（光限制），但一旦固体物质沉降，藻类便在优越的营养条件下迅速繁殖，形成远超正常水平的藻华，并引发后续的溶解氧消耗。
4. 哪些野火组分对藻类影响最大？
通过单独模拟每个野火相关参数的变化，研究发现磷酸盐的输入是驱动藻华加剧的最关键因子。仅增加磷酸盐输入就使初始藻华峰值增加了93 μg/L，其影响模式与包含所有变化因子的完整五月野火情景最为接近。相比之下，高浓度的TSS和POM在野火初期会因削弱水下光照而暂时延迟藻华发生。水温和小幅增加的太阳辐射则通过提前达到藻类适宜生长温度而影响藻类物候。流入河流溶解氧的降低对藻类生长本身影响最小，但可能对水生生物造成直接胁迫。
4.1. 流量增加的影响
研究还探讨了野火后可能出现的径流增加情景。将五月野火后的流入流量加倍，会延迟藻华发生并使藻类更集中于表层，但藻华依然存在。然而，若流量增加十倍，则由于水库水力停留时间急剧缩短和水体浊度显著增高导致的光限制，藻类生长被完全抑制。不过，这种情景下水库中会积累大量磷酸盐，可能对下游水体构成潜在富营养化风险。
4.2. 野火对水库水质的长期残留效应
研究进一步模拟了九月野火对次年水质的影响。尽管当年未引发显著藻华，但野火输入的磷酸盐在水库中持续积累，至次年生长季开始时，水体磷酸盐浓度已是非火情景的4倍。这直接导致次年春季的初始藻华峰值达到175 μg/L，与非火情景的45 μg/L相比，增幅近4倍，其严重程度与发生在生长季前的五月野火相当。这表明，即使野火发生在生长季后，其通过营养盐残留产生的负面影响可能会延迟至下一年度，这种延迟效应使得野火与藻华之间的因果关系更不易被察觉，强调了长期监测的重要性。
该研究得出结论，野火可通过多种途径显著影响水库水质和藻华动态，其影响不仅立竿见影，还可能持续数月甚至数年。野火发生的时间至关重要，生长季前的野火通过促进营养盐（尤其是磷）积累，可能导致当季藻华严重恶化；而生長季后的野火则可能通过营养盐的残留效应，显著加剧来年的藻华。在所有环境因子中，磷酸盐的输入是驱动藻华加剧的主导因素。此外，野火后流域水文情势的改变（如流量增加）也会通过与营养盐、浊度的交互作用，进一步调制水库的生态响应。
这项研究的意义在于，它首次将CE-QUAL-W2无偏模型应用于评估野火对水库水质的影响，为理解和预测野火后水生态系统的复杂行为提供了有价值的工具。研究结果强调，野火后需要加强对水库，特别是磷酸盐等关键水质参数的监测，并且这种监测应持续至野火发生后的数年。对于水库管理者而言，该模型可用于测试不同的管理策略（如改变出水口高度、流量调控等），以应对野火可能引发的水质问题，在保障供水安全、水生生态健康与满足下游需求等多重目标之间寻求平衡。随着气候变化背景下野火风险的增加，此类研究对于制定前瞻性的水资源适应管理策略显得愈发重要。作者指出，未来的研究方向包括启用模型中的沉积物模块以更好地模拟磷的长期循环、探索氮限制系统的响应、基于实验数据进一步优化野火输入参数，以及利用该无偏模型评估具体的水库管理措施效果。
